计算机控制系统第一章 绪论

1、2021-11-21第一章 绪 论12021-11-21第一章 绪 论22021-11-21第一章 绪 论32021-11-21第一章 绪 论42021-11-21第一章 绪 论5模拟调节器模拟调节器执行机构执行机构被控对象被控对象测量变送器测量变送器设定值设定值reu被调参数被调参数 y图图a 单回路常规控制系统示意图单回路常规控制系统示意图ym2021-11-21第一章 绪 论6计算机计算机执行机构执行机构广义对象广义对象测量变送测量变送e(kT)u(kT)被调参数被调参数 y图图b 单回路计算机控制系统示意图单回路计算机控制系统示意图y(kT)采样器采样器A/DD/A计算机系统计算机系统

2、设定值设定值r(kT)u*(t)y*(t)y(t)2021-11-21第一章 绪 论71 1）在线方式和离线方式）在线方式和离线方式 在线在线方式或联机方式：生产过程和计算机直接连接，并受方式或联机方式：生产过程和计算机直接连接，并受计算机控制的方式。计算机控制的方式。 离线方式或脱机方式：离线方式或脱机方式：生产过程不和计算机相连，且不受生产过程不和计算机相连，且不受计算机控制，而是靠人进行联系并作计算机控制，而是靠人进行联系并作相应操作的方式。相应操作的方式。2 2）实时的含义）实时的含义 实时：是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范实时：是指信号的输入、计算和输出都要在一定的时间范

3、围内完成。围内完成。 实时控制系统必定是在线系统。实时控制系统必定是在线系统。2021-11-21第一章 绪 论8 软 件 部软 件 部分分计算机控制系计算机控制系统统 硬件部分硬件部分控制计算控制计算机机主机、外设、系统总线主机、外设、系统总线生产过程输入输出通道生产过程输入输出通道人人机联系设备、通信设备机联系设备、通信设备 现场仪表（测量传感器、执行机现场仪表（测量传感器、执行机构等）构等） 操作系统、汇编或高级语言操作系统、汇编或高级语言、过程控制语言、过程控制语言 通信网络软件、诊断程序等通信网络软件、诊断程序等 系 统 软系 统 软件件 应 用 软应 用 软件件 过程输入过程输入/

4、输出程序、过程控输出程序、过程控制程序、人机接口程序、打印制程序、人机接口程序、打印显示程序、各种公共子程序、显示程序、各种公共子程序、历史数据库、实时数据库历史数据库、实时数据库2021-11-21第一章 绪 论9图图1-4 微型计算机控制系统原理图微型计算机控制系统原理图2021-11-21第一章 绪 论10 主机主机中央处理器（中央处理器（CPU）内存储器内存储器(RAM和和ROM)接口电路接口电路: : 主机与外部设备、输入输出通道进行信息交换的桥梁主机与外部设备、输入输出通道进行信息交换的桥梁过程输入过程输入/输出通道输出通道模拟量输入通道模拟量输入通道模拟量输出通道模拟量输出通道开

5、关量输入通道开关量输入通道开关量输出通道开关量输出通道外部设备外部设备 操作台操作台输入设备输入设备输出设备输出设备外存储器外存储器（CRT）显示器或）显示器或(LED)数码显示器数码显示器 键盘（功能键和数字键）键盘（功能键和数字键）2021-11-21第一章 绪 论11 高可靠性和可维护性高可靠性和可维护性 环境的适应性强环境的适应性强 控制的实时性控制的实时性 较完善的输入输出通道较完善的输入输出通道 较丰富的软件较丰富的软件2021-11-21第一章 绪 论122021-11-21第一章 绪 论132021-11-21第一章 绪 论14w操作指导系统操作指导系统优点:控制安全,具有一定

6、智能.缺点:速度慢,误差大.适用:新的算法的设计2021-11-21第一章 绪 论15w直接数字控制（直接数字控制（DDC）系统）系统直接数字控制直接数字控制(DDC)计算机计算机CRT打印机打印机报报 警警操作台操作台过程输入通道过程输入通道 测量变送测量变送 测量变送测量变送被被 控控 生生 产产 过过 程程过程输出通道过程输出通道 执行机构执行机构 执行机构执行机构 特点:取代模拟器,使用复杂的控制规律要求:计算机实时性好,可靠性高,适应性强2021-11-21第一章 绪 论16计算机监督系统（计算机监督系统（SCC） 计算机监督系统（计算机监督系统（Supervisory Comput

7、er Control）简称）简称SCC系统。系统。 SCC系统有两种系统有两种不同的结构形式。一种是不同的结构形式。一种是SCC+模拟调节器，模拟调节器，另一种是另一种是SCC+DDC控制系统。控制系统。（1）SCC+模拟调节器控制系统模拟调节器控制系统（2）SCC+DDC控制系统控制系统2021-11-21第一章 绪 论17w监督控制（监督控制（SCC）系统）系统监督控制计算机监督控制计算机(SCC)CRT打印机打印机报警报警DDC计算机或调节器计算机或调节器输入通道输入通道 输出通道输出通道被被 控控 生生 产产 过过 程程操作台操作台输入通道输入通道2021-11-21第一章 绪 论18

8、 3 3监督控制系统监督控制系统（Supervisory Computer Control SCC ） DDC DDC计算机计算机生生 产产 过过 程程SSC SSC 计计 算算 机机记录记录显示显示打印打印调节调节测量测量设定值设定值(b)(b)工艺数据工艺数据模模 拟拟调节器调节器生生 产产 过过 程程SSC SSC 计计 算算 机机记录记录显示显示打印打印调节调节测量测量设定值设定值(a)(a)工艺数据工艺数据2021-11-21第一章 绪 论19操作指导控制系统、操作指导控制系统、DDC、SCC比较比较系统类别系统类别 结构特点结构特点 计算机功计算机功能能 给定值给定值 系统状态系统

9、状态 操作指导操作指导控制系统控制系统 输入通道输入通道 处理数据处理数据 DDC 输入输入/输输出通道出通道 直接参与直接参与控制控制预先设预先设定定 不在最优不在最优工况工况 SCCSCC 两级计算两级计算机机 直接参与直接参与控制控制 在线修在线修改改最优工况最优工况 2021-11-21第一章 绪 论204 4分级计算机控制系统分级计算机控制系统 分级计算机控制系统是一个四级分级计算机控制系统是一个四级系统，各级计算机的功能如图所系统，各级计算机的功能如图所示。示。装置控制级（装置控制级（DDC级）级） 车间监督级（车间监督级（SCC级）级） 工厂集中控制级（工厂集中控制级（MIS）

10、企业管理级（企业管理级（MIS） 2021-11-21第一章 绪 论21图图 分级计算机控制系统分级计算机控制系统企业级经营管理计算机工厂级集中控制计算机车间级监控计算机（SCC）车间级监控计算机（SCC）装置控制级（DDC）装置控制级（DDC）装置控制级（DDC）工厂对象A工厂对象B工厂对象C工厂对象D至其它工厂至其它工厂装置控制级（DDC）返回本节2021-11-21第一章 绪 论22集散型控制系统（ Distributed Control Systems）2021-11-21第一章 绪 论232021-11-21第一章 绪 论24集散控制系统是分散型综合控制系统（Total Distri

11、buted Control Systems）或分散型微处理器控制系统（Distributed Microprocessor Control Systems）的简称。图是集散控制系统的组成框图。2021-11-21第一章 绪 论25管理计算机监控计算机CTR操作台高 速 数 据 通 道基本控制器数据采集器基本控制器DEP面板工 业 对 象小规模中规模大规模图图 组成框图组成框图返回本节它以微型计算机为核心，把微型机、它以微型计算机为核心，把微型机、工业控制计算机、数据通信系统、显工业控制计算机、数据通信系统、显示操作装置、输入示操作装置、输入 /输出通道、模拟仪输出通道、模拟仪表等有机地结合起来

12、，采用组合组装表等有机地结合起来，采用组合组装式结构组成系统，为实现工程大系统式结构组成系统，为实现工程大系统的综合自动化创造了条件。的综合自动化创造了条件。2021-11-21第一章 绪 论265 5典型的计算机控制系统典型的计算机控制系统 1. 计算机过程控制系统计算机过程控制系统 对温度对温度,压力压力,质量质量,液面液面,速度等生产过程速度等生产过程参数进行测量与控制的参数进行测量与控制的,这种系统称为过这种系统称为过程控制系统程控制系统,主控设备采用计算机则为计主控设备采用计算机则为计算机过程系统算机过程系统.大多数的化工生产过程均大多数的化工生产过程均属于这类系统属于这类系统.20

13、21-11-21第一章 绪 论27 2. 微机控制的电动机调速系统微机控制的电动机调速系统 3. 采用微机的顺序控制系统采用微机的顺序控制系统顺序控制是使生产机械或生产过程按预先顺序控制是使生产机械或生产过程按预先规定的时序或事序规定的时序或事序,而顺序进行控制的自动而顺序进行控制的自动控制系统控制系统.如如:PLC控制系统控制系统 4. 计算机数字程序控制系统计算机数字程序控制系统常用的数控机床常用的数控机床:点控和线控点控和线控 5. 工业机器人工业机器人 2021-11-21第一章 绪 论28现代所说的机器人大多指的是工业机器人，是一现代所说的机器人大多指的是工业机器人，是一种能自动定位

14、控制，可重复编程、多功能、多自种能自动定位控制，可重复编程、多功能、多自由度的操作机。由度的操作机。1954年美国的年美国的Devol最早提出了工最早提出了工业机器人思想，并申请了专利，该专利的要点是业机器人思想，并申请了专利，该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人实行动作示教，机器人能实现动作的记录和器人实行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现，这就是所谓的示教再现机器人。在此基础再现，这就是所谓的示教再现机器人。在此基础上，上，1958年美国年美国Consolidated公司制作了第一台工公司制作了第一台工业机器人，作为机器

15、人产品出售的最早的实用机业机器人，作为机器人产品出售的最早的实用机型是型是1962年美国的年美国的AMF公司推出的公司推出的Verstran和和Unimation公司推出的公司推出的UNIMATE（如图所示）。（如图所示）。2021-11-21第一章 绪 论29第一台工业机器人UNIMATE 2021-11-21第一章 绪 论30 1970年以后机器人的研究得到了迅速广年以后机器人的研究得到了迅速广泛的普及，泛的普及，1970年在美国召开了第一届年在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议，国际工业机器人学术会议，1973年在意年在意大利召开了第一届大利召开了第一届RMS，辛辛那提，辛辛那提.米

16、拉米拉克隆公司于克隆公司于1973年制成了第一台由小型年制成了第一台由小型计算机控制的工业机器人计算机控制的工业机器人T3，它是液压，它是液压驱动的，能提升的有效负载达驱动的，能提升的有效负载达45Kg。 2021-11-21第一章 绪 论31 工业机器人T3 2021-11-21第一章 绪 论321979年Unimation公司推出了Puma系列工业机器人，它是全电驱动关节式结构，多CPU两级微机控制，采用VAL专用语言并可配置视觉、触觉、力觉传感器，是技术较为先进的机器人 .2021-11-21第一章 绪 论33工业机器人Puma 2021-11-21第一章 绪 论34同年日本山梨大学的牧

17、野洋研制成具有平同年日本山梨大学的牧野洋研制成具有平面关节的面关节的SCARA型机器人，由于简单、型机器人，由于简单、精确，在插装电子元器件等许多工作上精确，在插装电子元器件等许多工作上得到了广泛的应用。得到了广泛的应用。 2021-11-21第一章 绪 论35SCARA型机器人 2021-11-21第一章 绪 论36 计算机技术和人工智能技术的迅速发展使机器计算机技术和人工智能技术的迅速发展使机器人人在功能和技术层次上有了很大提高。到目前为止在功能和技术层次上有了很大提高。到目前为止，机器人已进入了第三代：智能化的高级机器人，机器人已进入了第三代：智能化的高级机器人，具有感觉、思考、决策和动

18、作能力的机器人系，具有感觉、思考、决策和动作能力的机器人系统，这类机器人目前还处于研究开发阶段；第一统，这类机器人目前还处于研究开发阶段；第一代工业机器人主要是指示教再现控制的操作机器代工业机器人主要是指示教再现控制的操作机器人，目前国内外工业应用中的机器人绝大多数都人，目前国内外工业应用中的机器人绝大多数都是这一类；第二代工业机器人具有感受功能，是是这一类；第二代工业机器人具有感受功能，是具有光觉、视觉、力觉、触觉、声觉、语音识别具有光觉、视觉、力觉、触觉、声觉、语音识别等功能的工业机器人，等功能的工业机器人，2021-11-21第一章 绪 论37此时工业机器人可以根据感受信息调整控此时工业

19、机器人可以根据感受信息调整控制算法，这类工业机器人已经在实验室内制算法，这类工业机器人已经在实验室内研制成功并开始得到试用，但由于成本较研制成功并开始得到试用，但由于成本较高，其工业应用的普及还要有一个过程。高，其工业应用的普及还要有一个过程。 2021-11-21第一章 绪 论38我国工业机器人我国工业机器人我国工业机器人起步于我国工业机器人起步于70年代初期，经过年代初期，经过20多年多年的发展，大致经历了的发展，大致经历了3个阶段：个阶段：70年代的萌芽期，年代的萌芽期，80年代的开发期和年代的开发期和90年代的适用化期。年代的适用化期。70年代世年代世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤

20、其在日本界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业年开始研制自己的工业机器人。机器人。80年代，我国完成了示教再现式工业机年代，我国完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。焊和搬运机器人。 2021-11-21第一章 绪 论391986年国家高技术研究发展计划年国家高技术研究发展计划(863计划计划)开始开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前实施，智能机器人主

21、题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。成功地研制出了一批特种机器人。90年代初期我年代初期我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基

22、础。 2021-11-21第一章 绪 论40在工业机器人方面，我国已具有独立设计在工业机器人方面，我国已具有独立设计和开发机器人本体和控制器的能力，又经和开发机器人本体和控制器的能力，又经历历“八五八五”攻关，逐步开展机器人的应用攻关，逐步开展机器人的应用工工程开发，开始了机器人喷漆线、机器人点程开发，开始了机器人喷漆线、机器人点焊、弧焊工作站的开发和应用。在智能机焊、弧焊工作站的开发和应用。在智能机器人和特种机器人的研究和开发方面，国器人和特种机器人的研究和开发方面，国家家“863”计划在第一阶段作为高技术跟踪计划在第一阶段作为高技术跟踪的的目标，重点发展了在恶劣环境下的工作机目标，重点发展

23、了在恶劣环境下的工作机器人、精密装配机器人及装配系统。器人、精密装配机器人及装配系统。 2021-11-21第一章 绪 论41研制了水下研制了水下1000米无缆机器人和米无缆机器人和6000米无米无缆机器人，进行了太平洋洋底探测试验；缆机器人，进行了太平洋洋底探测试验；开发了用于核工业的遥控移动机器人和爬开发了用于核工业的遥控移动机器人和爬壁机器人，以及在室外恶劣环境下进行探壁机器人，以及在室外恶劣环境下进行探测的机器人。这些机器人都是在良好的人测的机器人。这些机器人都是在良好的人机界面下，以遥控为主，具有一定的自主机界面下，以遥控为主，具有一定的自主能力。能力。 2021-11-21第一章

24、绪 论42在装配机器人方面，研制了高精度装配机器人和在装配机器人方面，研制了高精度装配机器人和实用机器人，研制了风扇电机装配系统，这些实用机器人，研制了风扇电机装配系统，这些系统的研究和开发，使我国在智能机器人方面系统的研究和开发，使我国在智能机器人方面的技术向前迈进了一大步。的技术向前迈进了一大步。 从第一台机器人问世，至今已经有从第一台机器人问世，至今已经有40多年的历多年的历史，伴随时代的脉搏，机器人在经历了史，伴随时代的脉搏，机器人在经历了70年代年代进入工业应用，进入工业应用，80年代初中期的迅速发展之后，年代初中期的迅速发展之后，80年代后期和年代后期和90年代进入了新的发展阶段，

25、到年代进入了新的发展阶段，到2000年服役机器人约年服役机器人约100万台，机器人学仍然万台，机器人学仍然保持较好的发展势头，满怀希望跨入了保持较好的发展势头，满怀希望跨入了21世纪。世纪。 2021-11-21第一章 绪 论43计算机集成控制系统计算机集成控制系统 （CIMS/CIPSCIMS/CIPS） 经营决策经营决策企业管理企业管理生产调度生产调度过程优化过程优化过程控制过程控制第五层：企业决策，生产规划第五层：企业决策，生产规划第四层：供销第四层：供销,财务财务,计划计划,管理等管理等第三层：生产调度，系统优化第三层：生产调度，系统优化第二层：先进控制，过程优化第二层：先进控制，过程

26、优化第一层：单元自动化第一层：单元自动化,简单控制简单控制生生 产产 过过 程程 流程流程CIMS的递阶控制示意图的递阶控制示意图2021-11-21第一章 绪 论44计算机控制系统举例计算机控制系统举例例例 1-1 卫星姿态控制卫星姿态控制运行中的卫星经常要求对其姿态进行运行中的卫星经常要求对其姿态进行控制，以使它的天线和传感器相对于控制，以使它的天线和传感器相对于地球具有适当的方位。为此，计算机地球具有适当的方位。为此，计算机往往对三个轴分时地进行姿态控制。往往对三个轴分时地进行姿态控制。图图1-6 画出了一个轴的运动情况。假画出了一个轴的运动情况。假设只允许绕垂直于本书页面的轴进行设只允

27、许绕垂直于本书页面的轴进行旋转，该系统的运动方程如下：旋转，该系统的运动方程如下： 卫星姿态控制系统框图卫星姿态控制系统框图CDIMM式中：式中：I是卫星围绕其质量中心的惯性矩；是卫星围绕其质量中心的惯性矩；MC是由助推器加上的控制是由助推器加上的控制转矩；转矩；MD是扰动力矩；是扰动力矩；是卫星轴相对于基准线的角。是卫星轴相对于基准线的角。2021-11-21第一章 绪 论45由运动方程求传递函数由运动方程求传递函数令/ ,/CdDuMIwMI可得duw上式的拉氏变换为21( ) ( )( )dsu swss如果不考虑扰动(wd(s)=0)，则其传递函数为：2( )1( )( )sG su

28、ss2021-11-21第一章 绪 论46天线方位控制伺服系统天线方位控制伺服系统aacdJBTT卫星跟踪天线的仰角控制卫星跟踪天线的仰角控制(见右图见右图)假设天线及其可动部分具有惯假设天线及其可动部分具有惯性转矩性转矩J，由于直流驱动电机的反，由于直流驱动电机的反电势及由于轴承和空气动力摩擦产电势及由于轴承和空气动力摩擦产生了阻尼，其阻尼系数为生了阻尼，其阻尼系数为B，则运，则运动方程为：动方程为：式中：Tc是驱动电机产生的纯转矩；Td是刮风时的扰动转矩。天线示意图1aauwa如果我们定义：B/J=a，u=Tc/B，w=Td/B，则方程化简为：2021-11-21第一章 绪 论47其拉氏变换式为1( ) ( )( )(1)asu sw sssa如果不考虑扰动(w(s)=0)，则其传递函数为：( )1( )( )(1)asGssu ssa2021-11-21第一章 绪 论48工业炉控制工业炉控制工业炉的典型控制工业炉的典型控制工业炉控制的典型情况。工业炉控制的典型情况。为了保证燃料在炉膛内正常燃为了保证燃料在炉膛内正常燃烧，必须保持燃